液壓柱塞泵隨動活塞失效機理分析

摘"要：液壓柱塞泵向航空器液壓系統(tǒng)提供一定壓力和流量的液壓油，起著至關(guān)重要的作用。在液壓泵中，隨動活塞組件的插座球窩與活塞桿球頭經(jīng)長期使用后，互相磨損導(dǎo)致隨動活塞球鉸處游隙超差，該故障頻發(fā)，影響液壓柱塞泵的整體泄漏量，同時影響斜盤角度調(diào)節(jié)，造成泵供油量低、回油量高，無法滿足一定轉(zhuǎn)速和壓力下的供油量要求，影響航空器液壓系統(tǒng)的操縱性。本文針對液壓泵隨動活塞球鉸處游隙超差故障，通過失效分析、仿真分析方法，分析了游隙超差的失效機理，進(jìn)行了隨動活塞的波動分析，得到游隙大小與泵供油供壓的關(guān)系，并研究了隨動活塞球頭橢圓度對游隙的影響以及修復(fù)技術(shù)和方法。研究分析結(jié)果表明，斜盤處于零位和零位以上微小的擺動狀態(tài)時，隨動活塞受到交變應(yīng)力作用，球鉸收口處原始制造間隙在不斷沖擊作用下逐步擴大，是造成球鉸處游隙超差的主要原因；隨動活塞小球頭處的橢圓度對球鉸處游隙有影響，橢圓度增大，將加速小球頭與球窩磨損，造成間隙增大甚至超差，應(yīng)在特殊修理時對小球頭橢圓度嚴(yán)格控制；采用電火花切割或車修的方式對插座進(jìn)行拆除，再將換新的插座滾壓收口至活塞桿上的方法對于修復(fù)隨動活塞是可行的。

關(guān)鍵詞：柱塞泵；隨動活塞；游隙超差；失效分析；修復(fù)

隨動活塞組件由插座（1#件）、活塞（3#件）、活塞桿（4#件）三部分組成，為一般件。其中，插座的材料為鋼12X2H4AШ、TY141276579；活塞桿的材料為鋼30X3BA、TY14195074。隨動活塞組件中插座與活塞桿經(jīng)過長期使用后，插座球窩與活塞桿球頭之間互相磨損導(dǎo)致游隙超差［1］。當(dāng)游隙超差嚴(yán)重后，一方面影響液壓柱塞泵整體泄漏量，另一方面影響斜盤的角度調(diào)節(jié)，從而造成液壓柱塞泵的供油量低，回油量高，甚至無法滿足一定轉(zhuǎn)速和壓力下的供油量要求，影響航空器液壓系統(tǒng)的操縱性。

本文針對液壓柱塞泵上的隨動活塞進(jìn)行失效機理分析，在此基礎(chǔ)上研究隨動活塞的修理技術(shù)。一方面，能夠保證液壓泵油量與壓力的正常調(diào)節(jié)，使液壓柱塞泵正常工作，保證航空器液壓系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，保障生產(chǎn)任務(wù)；另一方面，活塞組件目前處于庫存零狀態(tài)，采購比較困難，沒有可用的新品組件用于更換，通過修理更換單個組成零件，可以有效減少組件的報廢和換新，減輕器材的供應(yīng)壓力，節(jié)約大量的換新資金，具有重大的研究意義。

圖1"隨動活塞組件圖

1"隨動活塞受力狀況的分析

隨動活塞組件通過銷釘安裝于液壓柱塞泵斜盤上，與油缸配合工作。在液壓泵正常供壓工作時，調(diào)節(jié)壓力推動活塞，同時克服回油壓力和回位彈簧力的等效力使活塞組件在油缸內(nèi)上下移動，從而改變斜盤的傾斜角度，最終實現(xiàn)對液壓泵供油量的調(diào)節(jié)。

當(dāng)液壓柱塞泵不工作時，隨動活塞處于有極限位置，此時斜盤角度最大，為最大供油狀態(tài)。在泵正常供壓工作時，調(diào)節(jié)壓力Pt推動隨動活塞，同時克服回油壓力Ph和回位彈簧力F1的等效力F2（F1·L1=F2·L2，其中L1、L2分別為回位彈簧力和隨動活塞插座處受力的力臂），當(dāng)活塞推動斜盤到極限位置時，此時斜盤受限位螺釘?shù)闹瘟N，各受力如圖2所示，在這個過程中，活塞桿球頭與插座之間始終處于相互接觸受力狀態(tài)。

1.傳動桿；2.主軸；3.墊板；4.限位螺釘；5.斜盤；6.柱塞座；7.彈簧；8.彈簧；9.柱塞；10.轉(zhuǎn)子；11.分油盤；12.安全活門；13.單項活門；14.隨動活塞；15.彈簧；16.分油活門；17.油濾；18.分油活門；19.彈簧；20.活塞；21.電磁活門；22.銜鐵；23.頂桿

圖2"隨動活塞受力示意圖

2"原因分析

2.1"隨動活塞游隙超差失效機理

在液壓柱塞泵工作變量時，隨動活塞推動斜盤向零位擺動，當(dāng)斜盤處于零位后，輸出的流量為零，即隨動活塞的控制腔沒有油液補充，斜盤在復(fù)位彈簧的作用下重新產(chǎn)生傾角。隨著傾角的產(chǎn)生，輸出的油液再次達(dá)到零流量壓力，隨動活塞控制腔又一次有高壓油流入，推動活塞使斜盤擺向零位。因此，在斜盤處于零位和零位以上微小的擺動狀態(tài)時，隨動活塞受到交變應(yīng)力的作用，球鉸收口處原始制造間隙在不斷沖擊作用下逐步擴大，導(dǎo)致球鉸處（1#和4#件連接處）游隙的超差。

2.2"隨動活塞波動分析

隨動活塞的實際使用過程中，故障主要體現(xiàn)在1#和4#件連接處間隙超差過大，對隨動活塞工作和供油供壓影響最大，本節(jié)研究分析隨動活塞游隙大小與泵供油供壓的關(guān)系。

在柱塞泵工作時，隨動活塞推動斜盤向零位擺動，當(dāng)斜盤處于零位后，輸出的流量為零，即隨動活塞的控制腔沒有油液補充，斜盤在復(fù)位彈簧的作用下重新產(chǎn)生傾角。隨著傾角的產(chǎn)生，輸出的油液再次達(dá)到零流量壓力，隨動活塞控制腔又一次有高壓油流入，推動活塞使斜盤擺向零位。因此，在斜盤處于零位和零位以上微小的擺動狀態(tài)時，隨動活塞受到交變應(yīng)力的作用，球鉸收口處原始制造間隙在不斷沖擊作用下逐步擴大，導(dǎo)致球鉸處（1#和4#件連接處）游隙的超差。

球鉸處間隙首先會導(dǎo)致隨動活塞推動斜盤時有一個不敏感區(qū)，這一不敏感區(qū)的出現(xiàn)導(dǎo)致出口流量脈動為：

Δqm=πd22znRηVtan（kym）（1）

在敏感區(qū)運動后對斜盤產(chǎn)生沖擊導(dǎo)致的出口流量脈動為：

Δqc=πd22znRηVtanβc（2）

因此，球鉸處間隙對輸出流量造成的脈動為：

Δq=Δqm+Δqc（3）

由流量的脈動產(chǎn)生的輸出壓力脈動為：

Δp=ρΔq22CdAo）2（4）

當(dāng)壓力脈動超過3MPa時，隨動活塞球鉸處間隙值為極限值。若間隙進(jìn)一步增大，表現(xiàn)為在變量調(diào)節(jié)至零位附近時，泵出口油液壓力有大幅脈動。

2.3"仿真分析

2.3.1"建立三維模型

建立隨動活塞組件的三維模型如圖3所示。

圖3"隨動活塞三維模型及爆炸圖

2.3.2"邊界條件

開展隨動活塞受力仿真，賦予材料屬性。隨動活塞為組合件，其中活塞的材料為QSn70.2，連桿的材料為25Cr3MoA，連桿座的材料為12Cr2Ni4A。查閱相關(guān)資料［2］，其中QSn70.2材料的彈性模量為E=1.1×1011Pa，泊松比μ=0.34，材料密度為8.3g/cm3，熱膨脹系數(shù)為1.8×10-5/℃；25Cr3MoA材料的彈性模量為E=2.12×1011Pa，泊松比μ=0.3，材料密度為7.85g/cm3，熱膨脹系數(shù)為1.2×10-5/℃；12Cr2Ni4A材料的彈性模量為E=2.11×1011Pa，泊松比μ=0.3，材料密度為7.85g/cm3，熱膨脹系數(shù)為1.2×10-5/℃。

對活塞（3#件）施加液體壓力Pt、Ph的載荷，在油缸內(nèi)運動；插座（1#件）通過銷釘，與斜盤固定，可在液體壓力的作用下，推動斜盤偏轉(zhuǎn)，同時也承受斜盤的反作用力［3］；活塞（3#件）與插座（1#件）通過活塞桿（4#件）連接，將二者固定，如圖4所示為隨動活塞施加載荷和約束情況。

圖4"施加載荷和約束

2.3.3"計算工況

本文利用ABAQUS軟件對隨動活塞進(jìn)行受力仿真分析。選取產(chǎn)品兩種典型狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，分別為斜盤角度最大狀態(tài)和斜盤角度最小狀態(tài)［4］，并對隨動活塞小球頭選取不同橢圓度進(jìn)行仿真分析，研究其應(yīng)力和位移的變化。

（1）工況一斜盤角度最大時，在活塞外端面施加液體壓力，內(nèi)端面及活塞桿部位施加液體壓力，插座外圓柱面固定，下表面受斜盤的支反力，整個模型施加80℃的環(huán)境溫度載荷［5］，用于模擬液壓柱塞泵的工況條件，結(jié)果見圖5所示。

圖5"斜盤角度最大時應(yīng)力及位移云圖

由上述分析結(jié)果可知，隨動活塞最大應(yīng)力位于活塞桿的中間小孔處，最小應(yīng)力位于兩球頭處，分別為638MPa和0.95MPa；隨動活塞桿兩端會在軸向分別產(chǎn)生0.03880mm和0.002534mm微變形，變形均為壓縮變形。

（2）工況二斜盤角度最小時，整個模型施加80℃的環(huán)境溫度載荷，仿真結(jié)果見圖6所示。

圖6"斜盤角度最小時應(yīng)力及位移云圖

由上述結(jié)果可知，隨動活塞最大應(yīng)力位于活塞桿的中間小孔處，最小應(yīng)力位于兩球頭處，分別為639MPa和090MPa；隨動活塞桿兩端會在軸向分別產(chǎn)生0.04207mm和0.002678mm微變形，變形均為壓縮變形。

（3）工況三當(dāng)隨動活塞球頭的橢圓度取0.001時，與工況一施加同樣的約束和載荷［6］，結(jié)果見圖7。

圖7"球頭橢圓度為0.001時應(yīng)力及位移云圖

由結(jié)果可知，隨動活塞的應(yīng)力和位移趨勢與之前仿真工況一致；活塞桿兩端會在軸向分別產(chǎn)生0.04154mm和0.002985mm微變形。

（4）工況四當(dāng)隨動活塞球頭的橢圓度取0.005時，與工況一施加同樣的約束和載荷［7］，仿真應(yīng)力與位移結(jié)果見圖8。

圖8"球頭橢圓度為0.005時應(yīng)力及位移云圖

由上述仿真分析可知，隨動活塞的應(yīng)力和位移趨勢與之前仿真工況趨勢保持一致；活塞桿兩端會在軸向分別產(chǎn)生0.04681mm和0.003326mm微變形。

2.3.4"隨動活塞修復(fù)技術(shù)

活塞組件經(jīng)過長期使用后，活塞桿球頭與插座球窩配合處磨損，導(dǎo)致游隙尺寸超差。插座安裝是通過模具在活塞桿上滾壓收口成型，無法直接修復(fù)，且收口后的插座無法分解后二次收口，因此，無法通過修復(fù)插座來對活塞組件進(jìn)行修復(fù)。采用將插座破壞性拆除，在活塞桿球頭處重新滾壓插座的方法，修復(fù)活塞組件［8］。

可行性：采用電火花切割或車修的方式對插座進(jìn)行拆除，技術(shù)成熟度較高，切除后將換新的插座滾壓收口至活塞桿上。目前國內(nèi)相關(guān)單位已擁有活塞組件的自制能力，且已有將連桿座滾壓收口至連桿上的成熟技術(shù)，而本文研究的活塞組件在結(jié)構(gòu)尺寸上基本一致。

2.3.5"結(jié)論

分析上述四種工況仿真結(jié)果，得到以下結(jié)論：

（1）當(dāng)斜盤角度最大時（工況一），隨動活塞桿兩端在軸向分別產(chǎn)生0.03880mm和0.002534mm的微變形，由不敏感區(qū)極限值計算得到兩端間隙的數(shù)值之和不超0.388mm為宜；（2）當(dāng)斜盤角度最小時（工況二），隨動活塞桿兩端會在軸向產(chǎn)生0.04207mm和0.002678mm的微變形，計算得到兩間隙數(shù)值之和不超過0.385mm為宜；（3）相關(guān)規(guī)定要求兩端間隙之和不超過0.32mm，因此滿足理論要求；（4）結(jié)合工況一、工況三和工況四，對球頭的橢圓度進(jìn)行研究分析可知，隨著小球頭的橢圓度增大，應(yīng)力和變形也隨之增大，加速小球頭與球窩磨損，以致間隙增大甚至超差，故應(yīng)對小球頭的橢圓度進(jìn)行嚴(yán)格控制。

3"結(jié)論

本文通過失效分析、仿真分析方法，對液壓柱塞泵隨動活塞組件進(jìn)行失效機理分析，研究隨動活塞游隙超差修復(fù)技術(shù)，具體結(jié)論如下。

（1）在液壓泵工作時，斜盤處于零位和零位以上微小的擺動狀態(tài)時，隨動活塞受到交變應(yīng)力的作用，球鉸收口處原始制造間隙在不斷沖擊作用下逐步擴大，是造成球鉸處游隙超差的主要原因。

（2）隨動活塞小球頭處的橢圓度對球鉸處游隙有影響。隨著小球頭的橢圓度增大，應(yīng)力和變形也隨之增大，加速小球頭與球窩磨損，造成間隙增大甚至超差。因此在特殊修理時，應(yīng)對小球頭的橢圓度進(jìn)行嚴(yán)格控制。

（3）對隨動活塞進(jìn)行修復(fù)，可采用電火花切割或車修的方式對插座進(jìn)行拆除，再將換新的插座滾壓收口至活塞桿。

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作者簡介：張思佳（1996—"），女，滿族，遼寧撫順人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：機電一體化與液壓系統(tǒng)。